智能仪器与系统-绪论、原理与组成

智能化仪器工作原理与组成
输入通道与数据采集
◆数据采集系统结构 Structure of Data Acquisition System(DAS) 分散采集式 分布式 网络式数据采集结构
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智能化仪器工作原理与组成
输入通道与数据采集 ◆ MAX197 Multi-Range (±10V, ±5V, +10V, +5V),
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智能化仪器工作原理与组成
输入通道与数据采集 ◆ MAX197
Interface between MAX197 and uPs
Clock References
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智能化仪器工作原理与组成
输入通道与数据采集 ◆ MAX197
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智能化仪器工作原理与组成
输入通道与数据采集 ◆ MAX197
集中采集式
同步采样
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智能化仪器工作原理与组成
输入通道与数据采集
◆数据采集系统结构 Structure of Data Acquisition System(DAS)
集中采集式
同步采样 例：轿车发动机油箱FDM振动测试系统
Product Specification: NI PCI-4474, 24-Bit Sigma-Delta ADCS, 102.4kS/s Max Sampling Rate, 4 Input Simultaneous, 118db Dynamic Range. Price: 17,775.00 RMB
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智能化仪器工作原理与组成
输入通道与数据采集
◆数据采集系统原理 Fundamentals for Data Acquisition System
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智能化仪器工作原理与组成
输入通道与数据采集
◆数据采集系统实例 车桥综合性能测试系统
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智能化仪器工作原理与组成
输入通道与数据采集
◆ ADC芯片与微机接口的一般方法 查询法 中断控制法 延时等待方式 DMA方式
How to Start a Conversion
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智能化仪器工作原理与组成
输入通道与数据采集
数据采集系统设计及举例
◆系统设计考虑的因素
◆A/D转换器的选择要点
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智能化仪器工作原理与组成
输入通道与数据采集
数据采集系统设计及举例 ◆系统设计考虑的因素
输入信号的特性
P42
对数据采集系统性能的要求
系统的通过速率
系统的分辩率 系统的精度
接口特性
并行 串行
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智能化仪器工作原理与组成
输入通道与数据采集
数ຫໍສະໝຸດ Baidu采集系统设计及举例 ◆A/D转换器的选择要点
A/D转换位数的确定
A/D转换速度的确定
根据环境条件选择A/D
工作温度、功耗、可靠性等级
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智能化仪器工作原理与组成
输入通道与数据采集
软 件
核心：PC机
电 源
仪 器 插 件 1 仪 器 插 件 2 … 仪 器 插 件 n 通 用 接 口
扩展底板或外部插件箱
GPIB总线
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工作原理
◆主要特点
功能强大 测量实现
智能化仪器工作原理与组成
通过微处理器的数据存储和快速计算进行间接
性能优越 软件 自动补偿、自动校正和多次测量平均→提高测量的精度 软件弥补硬件缺陷或弱点 操作自动化 键盘代替传统仪器的开关和按纽 自动选择量程、自动校准 具有对外接口功能 总结：“硬件软化”
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输出通道
智能化仪器工作原理与组成
◆数字波形合成技术Technology of Digital Waveform Synthesis
锯齿波的合成
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输出通道
智能化仪器工作原理与组成
◆开关量输出 门电路外加功率驱动级的电路 固态继电器SSR
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智能化仪器工作原理与组成
人机接口 Man-machine Interface
工作原理：
CPU通过输出口把一个 “步进的0”逐列加至键 盘的列线，然后通过 输入口检查行线的状态
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智能化仪器工作原理与组成
人机接口 Man-machine Interface
◆键盘接口技术 Keyboard Interface Technology 非编码键盘的处理 应用实例：智能评分器
软件消除按键抖动
关键：微处理器
功能：四则运算arithmetic 逻辑判断logic judgement
命令识别command identification
自诊断self-diagnose 自校正self-correction 自适应self-adaptation 自学习self-learning
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智能化仪器工作原理与组成
Single +5V, 12-Bit DAS with 8+4 Bus Interface
Pin Configuration Ordering Information
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智能化仪器工作原理与组成
输入通道与数据采集 ◆ MAX197
Feature 12-Bit Resolution, 1/2LSB Linearity Single +5V Operation Software-Selectable Input Ranges: ±10V, ±5V, 0V to 10V, 0V to 5V Fault-Protected Input Multiplexer (±16.5V) 8 Analog Input Channels 6µ s Conversion Time, 100ksps Sampling Rate Internal 4.096V or External Reference Two Power-Down Modes Internal or External Clock
数据采集系统设计及举例 ◆模拟电路的误差 ◆采样误差 ◆A/D转换器的误差
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输出通道
◆ DAC接口
智能化仪器工作原理与组成
双缓冲器结构
内部自带锁存器
AD7522
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输出通道
智能化仪器工作原理与组成
◆数字波形合成技术Technology of Digital Waveform Synthesis 基本原理：采用D/A转换器实现波形合成，即模拟输出 信号的变化可以用程序控制的方法不断地给D/A转换器输 入不同的数字量来实现。 特点： 波形不光滑 可灵活改变波形参数 合成速度快
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人机接口
智能化仪器工作原理与组成
◆键盘接口技术
线反转法
+5V
+5V
非编码键盘的处理
并 行 接 口
1 1 0 1 0 0 0 0
D7
+5V
并 行 接 口
D0
1 1 0 1 1 0 1 1
D7
+5V
D0
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智能化仪器工作原理与组成
人机接口 Man-machine Interface
◆键盘接口技术 Keyboard Interface Technology 编码键盘的处理 采用硬件电路实现键盘编码 编码键盘功能： 识别按键 提供按键读数 反弹跳 处理同时按键
数据 采集站1
… …
数据 采集站2
… …
数据 采集站3
……
数据 采集站N
… …
… … 模拟信号和数字信号
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智能化仪器工作原理与组成
输入通道与数据采集
◆数据采集系统结构 Structure of Data Acquisition System(DAS) 分散采集式 分布式 网络式数据采集结构
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对于导弹，或使用全球定位系统的飞行器来说，要使定位 误差控制在3米之内，计时精度就要十亿分之一秒
精密时间测量
时间测量仪器
太阳钟 中国
公元前3500年,约每天要差15分钟
机械钟 德国
1350年,每3天才差1秒钟
智能性
石英钟表
贝尔电话实验室
电波钟表
1928年，每日误差只有万分之一秒
时间测量仪器
智能性
智能仪器与系统
主讲：刘小康
抛砖引玉—卫星发射
电子侦察卫星 卫星导航 巡航导弹 卫星测轨 时刻准确度：±10纳秒～±50纳秒
对于导弹，或使用全球定位系统的飞行器来说，要使定位 误差控制在3米之内，计时精度就要十亿分之一秒
精密时间测量
抛砖引玉—卫星发射
电子侦察卫星 卫星导航 巡航导弹 卫星测轨 时刻准确度：±10纳秒～±50纳秒
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智能化仪器工作原理与组成
内容提要
概述
智能化仪器工作原理
输入通道与数据采集
输出通道
人机接口
通信功能与总线接口
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智能化仪器工作原理与组成
概述 ◆智能仪器实物照片
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智能化仪器工作原理与组成
概述 ◆智能仪器 Intelligent Instrument
智能仪器是计算机技术与测量仪器相结合的产物，是含有微 计算机或微处理器的测量(或检测)仪器。
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智能化仪器工作原理与组成
输入通道与数据采集
◆ ADC的理想传输特性和量化误差 ◆理想传输特性 Ideal Transfer Characteristic
◆量化误差 Quantization Error
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智能化仪器工作原理与组成
输入通道与数据采集
◆数据采集系统结构 Structure of Data Acquisition System(DAS)
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智能化仪器工作原理与组成
输入通道与数据采集
◆数据采集系统结构 Structure of Data Acquisition System(DAS) 分散采集式 分布式 分布式单机数据采集结构 并行数据采集
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智能化仪器工作原理与组成
输入通道与数据采集
◆数据采集系统结构 Structure of Data Acquisition System(DAS) 分散采集式 分布式 网络式数据采集结构 上位机 通信接口
◆键盘接口技术 Keyboard Interface Technology 非编码键盘的处理 采用软件方法实现对键盘的处理 +V µ P 10kΩ*4
接 口
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智能化仪器工作原理与组成
人机接口 Man-machine Interface
◆键盘接口技术 Keyboard Interface Technology 扫描法 非编码键盘的处理
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智能化仪器工作原理与组成
工作原理 ◆基本组成 Basic Components
微机内嵌式：将单片或多片的微机芯片与仪器有机地结合 在一起形成的单机
输出通道 D/A 传感器 非 电 量 A/D 输入通道 电 量 仪器面板 （键盘、开关、显示器） 单片机或DSP RAM、 EPROM I/O接口 外部通信 RS232、USB
电波钟表
国家授时中心
时间测量仪器
中国发展仪器技术的重要意义
中国发展仪器技术的重要意义
国际上智能仪器研究热点
国际上智能仪器研究热点
国际上智能仪器研究热点
国际上智能仪器研究热点
国际上智能仪器研究热点
国际上智能仪器研究热点
仪器智能化设计
主要内容
1 智能化仪器工作原理与组成 2 智能化仪器常用信息处理方法 3 仪器智能化功能的实现方法 4 智能化仪器的开发过程和硬件与软件的设计 5 仪器智能化设计实例分析 6 智能仪器的发展
静态编码器—普通编码器如74148 可编程键盘/显示接口 如8279
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智能化仪器工作原理与组成
人机接口 Man-machine Interface
◆LED接口技术 LED Interface Technology 应用实例 智能测温仪
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智能化仪器工作原理与组成
人机接口 Man-machine Interface
概述 ◆智能仪器 Intelligent Instrument
智能仪器是计算机技术与测量仪器相结合的产物，是含有微 计算机或微处理器的测量(或检测)仪器
兼容
高级智能仪器
高级 智能 人工智能
趋势
模型化仪器
模型化 系统辨识、模式识别
初级智能仪器
初级智能 计算机、信号处理 聪敏 电子、传感、测量
聪敏仪器
◆LED接口技术 LED Interface Technology LED显示驱动方法 静态驱动法 动态驱动法 智能仪器中多采用
打印机
核心：微处理器
软件
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智能化仪器工作原理与组成
工作原理 ◆基本组成 Basic Components
微机扩展式：以个人计算机(PC)为核心的应用扩展型测量仪 器，它给PC配上不同的模拟通道，让它能够符合测量仪器的要 求，称为个人计算机仪器(PCI)或称微机卡式仪器
个人计算机
总线扩展槽 PC总线
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工作原理
◆关键技术
智能化仪器工作原理与组成
自动校零技术来消除器件产生的漂移 自动校准技术 用途：降低仪器对内部器件稳定性的要求
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工作原理
◆关键技术
智能化仪器工作原理与组成
自动校零技术来消除器件产生的漂移 自动校准技术
用途：降低仪器对内部器件稳定性的要求
自检技术
开机自检 周期性自检 键控自检 运用软件最大限度地消除仪器的随机误差和系统误差 非线性特性自校正技术